IO模型 | 易学教程

说实话只是了解了几种io模型的基础知识但实际上相关io模型的源码知识还有待进一步的学习

一、 IO模型基本认知

BIO里用户最关心“我要读”，NIO里用户最关心”我可以读了”，在AIO模型里用户更需要关注的是“读完了”

下面引用知乎一书焚城的回答再次巩固一下IO模型

阻塞IO, 给女神发一条短信, 说我来找你了, 然后就默默的一直等着女神下楼, 这个期间除了等待你不会做其他事情, 属于备胎做法.
非阻塞IO, 给女神发短信, 如果不回, 接着再发, 一直发到女神下楼, 这个期间你除了发短信等待不会做其他事情, 属于专一做法.
IO多路复用, 是找一个宿管大妈来帮你监视下楼的女生, 这个期间你可以些其他的事情. 例如可以顺便看看其他妹子,玩玩王者荣耀, 上个厕所等等. IO复用又包括 select, poll, epoll 模式. 那么它们的区别是什么?
3.1 select大妈 每一个女生下楼, select大妈都不知道这个是不是你的女神, 她需要一个一个询问, 并且select大妈能力还有限, 最多一次帮你监视1024个妹子
3.2 poll大妈不限制盯着女生的数量, 只要是经过宿舍楼门口的女生, 都会帮你去问是不是你女神
3.3 epoll大妈不限制盯着女生的数量, 并且也不需要一个一个去问. 那么如何做呢? epoll大妈会为每个进宿舍楼的女生脸上贴上一个大字条,上面写上女生自己的名字, 只要女生下楼了, epoll大妈就知道这个是不是你女神了, 然后大妈再通知你.

上面这些同步IO有一个共同点就是, 当女神走出宿舍门口的时候, 你已经站在宿舍门口等着女神的, 此时你属于阻塞状态

接下来是异步IO的情况
你告诉女神我来了, 然后你就去王者荣耀了, 一直到女神下楼了, 发现找不见你了, 女神再给你打电话通知你, 说我下楼了, 你在哪呢? 这时候你才来到宿舍门口. 此时属于逆袭做法

二、 NIO

传统的BIO里面socket.read()，如果TCP RecvBuffer里没有数据，函数会一直阻塞，直到收到数据，返回读到的数据。

对于NIO，如果TCP RecvBuffer有数据，就把数据从网卡读到内存，并且返回给用户；反之则直接返回0，永远不会阻塞。

最新的AIO(Async I/O)里面会更进一步：不但等待就绪是非阻塞的，就连数据从网卡到内存的过程也是异步的。

换句话说，BIO里用户最关心“我要读”，NIO里用户最关心”我可以读了”，在AIO模型里用户更需要关注的是“读完了”。

NIO一个重要的特点是：socket主要的读、写、注册和接收函数，在等待就绪阶段都是非阻塞的，真正的I/O操作是同步阻塞的（消耗CPU但性能非常高）。

三、 IO复用模型

存在三种模式

1、select

调用过程

a. 从用户空间将fd_set拷贝到内核空间
b. 注册回调函数
c. 调用其对应的poll方法
d. poll方法会返回一个描述读写是否就绪的mask掩码，根据这个mask掩码给fd_set赋值。
e. 如果遍历完所有的fd都没有返回一个可读写的mask掩码，就会让select的进程进入休眠模式，直到发现可读写的资源后，重新唤醒等待队列上休眠的进程。如果在规定时间内都没有唤醒休眠进程，那么进程会被唤醒重新获得CPU，再去遍历一次fd。
f. 将fd_set从内核空间拷贝到用户空间

优缺点

缺点：两次拷贝耗时、轮询所有fd耗时，支持的文件描述符太小
优点：跨平台支持

2、poll

优点：连接数（也就是文件描述符）没有限制（链表存储）
缺点：大量拷贝，水平触发（当报告了fd没有被处理，会重复报告，很耗性能）

3、epoll

a、ET与LT模式

LT：延迟处理，当检测到描述符事件通知应用程序，应用程序不立即处理该事件。那么下次会再次通知应用程序此事件。
ET：立即处理，当检测到描述符事件通知应用程序，应用程序会立即处理。

ET模式减少了epoll被重复触发的次数，效率比LT高。我们在使用ET的时候，必须采用非阻塞套接口，避免某文件句柄在阻塞读或阻塞写的时候将其他文件描述符的任务饿死

b、调用流程

当调用epoll_wait函数的时候，系统会创建一个epoll对象，每个对象有一个evenpoll类型的结构体与之对应，结构体成员结构如下。

rbn,代表将要通过epoll_ctl向epll对象中添加的事件。这些事情都是挂载在红黑树中。
rdlist，里面存放的是将要发生的事件

2. 文件的fd状态发生改变，就会触发fd上的回调函数
3. 回调函数将相应的fd加入到rdlist，导致rdlist不空，进程被唤醒，epoll_wait继续执行。
4. 有一个事件转移函数——ep_events_transfer，它会将rdlist的数据拷贝到txlist上，并将rdlist的数据清空。
5. ep_send_events函数，它扫描txlist的每个数据，调用关联fd对应的poll方法去取fd中较新的事件，将取得的事件和对应的fd发送到用户空间。如果fd是LT模式的话，会被txlist的该数据重新放回rdlist，等待下一次继续触发调用。